大斷面黃土隧道施工工法研究

石 磊，侯小軍，武進(jìn)廣

(1.中鐵七局集團(tuán)有限公司，鄭州 450016;2.中鐵一局集團(tuán)有限公司，西安 710000)

0 引言

我國在高速公路黃土隧道建設(shè)領(lǐng)域起步較晚，施工過程中大部分是借鑒鐵路隧道的施工經(jīng)驗(yàn)。隨著隧道工程建設(shè)的發(fā)展，尤其是新奧法理論的日趨完善，傳統(tǒng)的挖掘方法已經(jīng)基本被淘汰，取而代之的是更快速、更安全、更有效、更有利于圍巖及掌子面穩(wěn)定的大斷面開挖掘進(jìn)的多種施工新方法，如臺(tái)階法、CD法、CRD法、TBM法和導(dǎo)坑法等。施工技術(shù)的改進(jìn)和發(fā)展對(duì)大斷面隧道的建設(shè)產(chǎn)生了巨大的影響，并在我國已建成的很多大斷面公路隧道中得到實(shí)踐。如京珠高速公路靠椅山公路隧道(128.25 m2)采用超前管棚或小導(dǎo)管錨桿支護(hù)，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工;北京長安街過街通道及地鐵天安門站(335.44 m2)采用CRD法施工;鄭西客運(yùn)專線張茅隧道(164 m2)采用七步臺(tái)階開挖法施工［1］順利地穿過濕陷性黃土地帶。這些施工技術(shù)的改進(jìn)和發(fā)展一方面推動(dòng)了大斷面隧道的建設(shè)，另一方面，隧道的斷面形式、施工方式也日趨經(jīng)濟(jì)、合理和科學(xué)［2］。

但是，由于公路黃土隧道不僅存在著跨徑大、斷面大、扁平率小等設(shè)計(jì)特點(diǎn)，而且還存在圍巖強(qiáng)度低、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜多變、圍巖開挖變形量大等施工困難，尤其是在開挖后受到變形控制等因素影響，施工難度很大［3］。在我國，大量單、雙線鐵路和雙車道公路黃土隧道修建過程中，曾出現(xiàn)過嚴(yán)重的地表開裂、拱部下沉、襯砌變形甚至塌方等問題。與之相比，單洞三車道黃土公路隧道開挖跨度更大、扁平率更小、對(duì)施工過程的變形控制要求更高，因此，研究不同的施工工法在大斷面黃土隧道中的適應(yīng)性以及總結(jié)出控制大變形措施很有必要。

1 工程概況

墩梁隧道為神府高速公路控制性工程之一，隧道所處區(qū)域地貌為黃土梁崗區(qū)、黃土梁峁溝壑區(qū)地貌。設(shè)計(jì)為雙向六車道分離式黃土隧道，所處地段地形變化較為復(fù)雜，地質(zhì)災(zāi)害較發(fā)育，主要穿越V級(jí)黃土圍巖，特殊巖土主要為濕陷性黃土。隧道左線起點(diǎn)樁號(hào)為LK25+720，終點(diǎn)樁號(hào)為LK27+048，全長1 328 m;右線起點(diǎn)樁號(hào)為K25+705，終點(diǎn)樁號(hào)為K27+120，全長 1 415 m。隧道內(nèi)襯砌輪廓線寬 15.02 m，高8.30 m，按新奧法設(shè)計(jì)施工，采用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)時(shí)速80 km/h，建筑限界凈寬14.25 m，凈高5.2 m。隧道設(shè)計(jì)為三心圓，最大開挖高度12.19 m，最大開挖寬度17.316 m，扁平率為0.703，為目前公路黃土隧道最大開挖斷面之一。

2 施工方法選擇

2.1 開挖力學(xué)分析

隧道開挖后，由于周邊應(yīng)力解除，一部分范圍內(nèi)的巖體發(fā)生變形并向隧道內(nèi)移動(dòng)，巖體中的初始應(yīng)力也隨著調(diào)整變化，并在一定范圍內(nèi)的巖體中進(jìn)行重新分布，這種重分布后的應(yīng)力狀態(tài)稱為二次應(yīng)力，也就是圍巖應(yīng)力。隧道開挖使圍巖的三向受力狀態(tài)按近似于二向受力狀態(tài)轉(zhuǎn)化，加之圍巖的變形和移動(dòng)，使各種軟弱結(jié)構(gòu)面受到不同程度的破壞或松弛，特別是爆破和風(fēng)化的影響，使節(jié)理裂隙進(jìn)一步發(fā)展，因而開挖后的巖體強(qiáng)度一般低于開挖前［4］。

從力學(xué)角度來看，軟巖大斷面隧道的分次開挖實(shí)際上是對(duì)圍巖的不同部位時(shí)而做加載、時(shí)而做卸載的復(fù)雜加卸載過程［5－6］。軟弱圍巖是一種在特定條件下具有顯著塑性變形的復(fù)雜力學(xué)介質(zhì)，其巖體力學(xué)性質(zhì)主要表現(xiàn)為非線性大變形力學(xué)特性［7］。對(duì)于軟巖大斷面隧道來講，其開挖方式一般采用分部法或?qū)ы戏?，硐室的開挖是一個(gè)隨時(shí)間、空間不斷變化的施工過程。根據(jù)軟巖的非線性大變形力學(xué)特性，不同的開挖(卸載)順序?qū)?huì)產(chǎn)生不同的圍巖變形結(jié)果［8］。因此，軟巖大斷面隧道施工應(yīng)結(jié)合工程實(shí)際條件采用相應(yīng)的施工方法，這時(shí)其支護(hù)設(shè)計(jì)不能簡單地用參數(shù)設(shè)計(jì)來進(jìn)行，而應(yīng)采用適用于軟巖大變形的非線性力學(xué)的設(shè)計(jì)方法。

2.2 開挖方法的優(yōu)選

隧道開挖是一個(gè)不可逆的、非線性力學(xué)的動(dòng)態(tài)演變過程，施工期和運(yùn)營期的隧道安全穩(wěn)定無疑和這個(gè)過程緊密相關(guān)，甚至決定著工程的成?。?］。大型地下工程，不論是水電洞室群，還是大跨度隧道，都避免不了分期或分部(塊)開挖，這不僅和工程地質(zhì)條件相關(guān)，而且還和施工硬件(開挖設(shè)備、運(yùn)輸設(shè)備、支護(hù)材料及支護(hù)設(shè)備)密切相關(guān)，更離不開目前的施工經(jīng)驗(yàn)積累和理論成果水平。

施工方法的選擇應(yīng)以地質(zhì)條件為主要依據(jù)，結(jié)合工期、建筑物長度、斷面尺寸、結(jié)構(gòu)類型以及施工技術(shù)力量等因素綜合考慮，同時(shí)，要考慮在地質(zhì)條件變化的情況下變換施工方法的可能性。

本隧道主要穿越黃土梁卯溝壑區(qū)，地質(zhì)情況比較復(fù)雜，特殊巖土主要為濕陷性黃土。根據(jù)地質(zhì)分析資料可知:隧道深埋段圍巖為鈣質(zhì)結(jié)核較多的老黃土和粉砂性黃土，針對(duì)不同的地質(zhì)地形情況在淺埋段采用雙側(cè)壁開挖，進(jìn)入深埋段后根據(jù)地質(zhì)變化情況在進(jìn)口段采用三臺(tái)階開挖;出口段地質(zhì)情況較差，可分別采用單側(cè)壁和雙側(cè)壁進(jìn)行開挖。各施工工法如圖1—3所示。

3 施工監(jiān)控量測(cè)

黃土隧道主要存在節(jié)理垂直發(fā)育，彼此在水平方向上的連接力較弱，在干燥時(shí)強(qiáng)度較大，隧道圍巖及初期支護(hù)受力較?。?0］，遇水后顆粒連接力削弱，黃土強(qiáng)度隨之降低，從而引起圍巖和初期支護(hù)受力增大，使沉降不易控制，且在施工過程中受多導(dǎo)坑交叉作業(yè)和及時(shí)封閉的施工要求等影響，利用傳統(tǒng)變形量測(cè)方案將大大減小各工序的施工速率。鑒于以上原因，在施工中利用高精度全站儀和反光模片(蘇光6×6)進(jìn)行隧道變形量測(cè)。施工中按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)和測(cè)量，通過對(duì)變形數(shù)據(jù)的分析確定隧道的穩(wěn)定狀態(tài)。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙要求，墩梁隧道黃土雙側(cè)壁法施工現(xiàn)場(chǎng)典型斷面測(cè)試主要為拱部沉降和收斂量測(cè)，分別在淺埋段和深埋段各選取2個(gè)斷面進(jìn)行分析。

在墩梁隧道施工過程中，按照設(shè)計(jì)要求每隔10～50 m設(shè)置斷面(根據(jù)圍巖情況決定斷面間距)，并在開挖24 h內(nèi)取得第一組數(shù)據(jù)。用徠卡TCR－802精密全站儀觀測(cè)下沉和收斂變形，最前端的一個(gè)斷面緊跟掌子面，以便及時(shí)觀察圍巖穩(wěn)定情況。觀測(cè)頻率為:前15 d每d觀測(cè)1次或2次，16～30 d每2 d觀測(cè)1次，30～90 d每周觀測(cè)1～2次，90 d以上每月觀測(cè)1～3次。

3.1 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工地段

雙側(cè)壁施工一側(cè)導(dǎo)坑先行，先行導(dǎo)坑上臺(tái)階開挖，每次開挖1～2榀，與中臺(tái)階拉開5 m左右;開挖中臺(tái)階2～4榀，再開挖下臺(tái)階2～4榀，與中臺(tái)階步距控制在5 m左右。待先行側(cè)壁導(dǎo)坑掘進(jìn)35 m時(shí)開始后行側(cè)壁導(dǎo)坑開挖，開挖過程中仍然遵循上、中、下臺(tái)階施工距離，防止距離太小發(fā)生坍塌造成沉降過大。最后，進(jìn)行中導(dǎo)坑開挖，并滯后后行側(cè)壁導(dǎo)坑15 m左右，拆除側(cè)壁臨時(shí)支撐并仰拱開挖，仰拱開挖長度約7 m。

選取的斷面為RK27+096.8，施工過程中按照?qǐng)D4進(jìn)行量測(cè)點(diǎn)位的布置。

圖4 雙側(cè)壁量測(cè)斷面Fig.4 Double side monitoring cross-section

RK27+096.8右側(cè)導(dǎo)洞拱頂、右側(cè)導(dǎo)洞臨時(shí)側(cè)和右側(cè)導(dǎo)洞永久側(cè)，對(duì)應(yīng)圖4中E，F(xiàn)，G 3個(gè)測(cè)點(diǎn)，這3個(gè)觀測(cè)點(diǎn)于2009年9月5日布設(shè)。9月16日布設(shè)左側(cè)導(dǎo)洞拱頂、左側(cè)導(dǎo)洞永久側(cè)和左側(cè)導(dǎo)洞臨時(shí)側(cè)3個(gè)測(cè)點(diǎn)，對(duì)應(yīng)圖4中H，I，J 3個(gè)測(cè)點(diǎn)。施工過程中右側(cè)導(dǎo)坑先行，在2009年9月30日進(jìn)行右側(cè)導(dǎo)坑閉合，2009年10月7日進(jìn)行左側(cè)導(dǎo)坑閉合，至10月7日完成仰拱閉合工作。量測(cè)斷面沉降和收斂關(guān)系曲線如圖5和圖6所示。

該斷面的右導(dǎo)坑作業(yè)時(shí)間為9月5日，左導(dǎo)坑作業(yè)時(shí)間為9月16日。右側(cè)導(dǎo)坑10月1日進(jìn)行仰拱作業(yè)，10月6日左側(cè)導(dǎo)坑仰拱作業(yè)。10月7日變形開始趨于穩(wěn)定，變形速率逐漸減小，經(jīng)開挖后達(dá)到穩(wěn)定時(shí)間及累計(jì)沉降對(duì)比發(fā)現(xiàn)仰拱及時(shí)作業(yè)后趨于穩(wěn)定。

中導(dǎo)開挖后拱部沉降很小，基本小于30 mm，說明雙側(cè)壁導(dǎo)坑法作業(yè)能很好地控制拱部沉降和地表沉降。

由收集到的觀測(cè)數(shù)據(jù)知，雙側(cè)壁導(dǎo)坑工法在砂質(zhì)堆積新黃土中沉降和收斂都比較大，在RK27+001處最大沉降達(dá)120.8 mm，水平收斂值達(dá)95.2 mm。在老黃土雙側(cè)壁導(dǎo)坑工法中觀測(cè)最大沉降值為50.8 mm，收斂值為87.8 mm。由于在雙側(cè)壁導(dǎo)坑施工過程中開挖掌子面時(shí)需對(duì)下導(dǎo)坑進(jìn)行拉槽，造成兩拱腳間形成暫時(shí)的空槽，特別是老黃土開挖干擾更大，初步判斷老黃土中收斂較大與開挖方法有直接關(guān)系。

3.2 單側(cè)壁導(dǎo)坑法施工地段

單側(cè)壁量測(cè)斷面布置見圖7。

圖7 單側(cè)壁量測(cè)斷面Fig.7 Single side monitoring cross-section

通過對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在單側(cè)壁施工中臨時(shí)支撐側(cè)沉降變化較大，在支撐完成后25～30 d沉降和收斂趨于穩(wěn)定。該量測(cè)斷面沉降和收斂關(guān)系曲線見圖8和圖9。

通過觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，在臨時(shí)支撐側(cè)沉降變化較大，觀測(cè)斷面所測(cè)數(shù)據(jù)為臨時(shí)側(cè)沉降值為54 mm，收斂值為42 mm，永久側(cè)拱部最大沉降值為29 mm。

3.3 三臺(tái)階法施工地段

進(jìn)口段采用三臺(tái)階法施工，拱部的垂直壓力較大，在上、中臺(tái)階的拱腳處設(shè)置大拱腳來增加拱腳處的支撐力，減小拱頂?shù)某两蹬c邊墻的收斂。為檢驗(yàn)系統(tǒng)錨桿在黃土隧道中控制沉降與收斂的作用，在左洞增加了40 m的試驗(yàn)段，試驗(yàn)段取消拱部90°范圍內(nèi)的系統(tǒng)錨桿，同時(shí)鎖腳錨桿變?yōu)閺?fù)合鎖腳錨管，復(fù)合鎖腳錨管采用φ 50鋼管注漿后插入φ 22鋼筋，復(fù)合鎖腳錨管剛度大，比鋼拱架焊接面積大。洞內(nèi)設(shè)置量測(cè)觀測(cè)點(diǎn)見圖10，普通段量測(cè)斷面LK25+941的沉降曲線和收斂曲線見圖11和圖12。試驗(yàn)段采用4 m復(fù)合鎖腳錨管，取消拱部90°范圍內(nèi)的系統(tǒng)錨桿，量測(cè)斷面LK25+866的沉降和收斂曲線見圖13和圖14。

圖10 三臺(tái)階量測(cè)斷面Fig.10 Three-bench monitoring cross-section

通過觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，普通段最大下沉值達(dá)到115 mm，發(fā)生在拱腰處，開挖線處最大收斂值達(dá)到90 mm;試驗(yàn)段最大下沉值為60 mm，也發(fā)生在拱腰處，開挖線處最大收斂值為35 mm;當(dāng)仰拱施工完成后，下沉和收斂趨于穩(wěn)定，不再發(fā)生變化。相比普通段，試驗(yàn)段下沉和收斂都減少很多，這是因?yàn)殒i腳錨管的剛度較大，限制了圍巖的下沉與收斂，拱部系統(tǒng)錨桿在黃土隧道中所起的作用沒有在石質(zhì)圍巖中的作用大，在黃土隧道中應(yīng)增加鎖腳錨桿或鎖腳錨管來限制沉降和收斂。

4 不同施工方法比較

分別對(duì)墩梁黃土大斷面隧道采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑、單側(cè)壁導(dǎo)坑、三臺(tái)階開挖進(jìn)行分析比較，得出了3種工法的優(yōu)缺點(diǎn)、適用性以及控制大斷面黃土隧道變形的關(guān)鍵技術(shù)措施。

4.1 進(jìn)度分析比較

通過對(duì)墩梁隧道各施工方法、監(jiān)控量測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較分析，雙側(cè)壁施工根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況不同，每循環(huán)開挖1～2榀，淺埋段每月掘進(jìn)25～31 m，深埋段每月掘進(jìn)35～40 m，平均每月掘進(jìn)37.5 m;但在仰拱施工前需開挖11次，回填3次，在多次開挖過程中造成支護(hù)放松，變形量增大，在鋼拱架閉合成環(huán)后，變形量基本趨于穩(wěn)定。

單側(cè)壁施工每循環(huán)開挖2榀，每月掘進(jìn)40～50 m，平均每月掘進(jìn)45 m，較單側(cè)壁開挖工序少，從而使進(jìn)度加快。在隧道變形控制上，有中隔壁支撐能有效地控制變形量，但中隔壁支撐拆除較為困難，且在拆除后造成支護(hù)放松，變形量增大。

三臺(tái)階施工每循環(huán)開挖2榀，每月掘進(jìn)70～90 m，開挖工序較少，工作場(chǎng)地較大，有利于機(jī)械化作業(yè)，提高施工進(jìn)度;但由于沒有臨時(shí)支撐，拱部垂直壓力較大，如果下部支撐不夠，容易產(chǎn)生掉拱現(xiàn)象，發(fā)生安全事故。

深埋段由于地質(zhì)情況差異，采取雙側(cè)壁導(dǎo)坑、單側(cè)壁導(dǎo)坑和三臺(tái)階3種開挖方法，設(shè)計(jì)中支護(hù)參數(shù)存在一定差異，雙側(cè)壁、單側(cè)壁施工中需要進(jìn)行臨時(shí)支撐安裝和拆除，占用了大量時(shí)間。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)分析可知:3種方法中三臺(tái)階掘進(jìn)速度最快，其次是單側(cè)壁和雙側(cè)壁。其中，在取消三臺(tái)階系統(tǒng)錨桿設(shè)計(jì)后，可以提高施工效率28.5%。

4.2 優(yōu)缺點(diǎn)及適用性分析

在支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)相同的條件下，不同施工工法的優(yōu)缺點(diǎn)及適用性情況對(duì)比見表1。

表1 大斷面黃土隧道不同工法優(yōu)缺點(diǎn)及適用性綜合比較Table 1 Advantages，disadvantages and applicability of different construction methods for loess tunnel with large cross-section

4.3 大斷面黃土隧道控制變形的關(guān)鍵技術(shù)

4.3.1 雙側(cè)壁施工變形控制

雙側(cè)壁導(dǎo)坑法在開挖過程中能有效地控制拱部沉降。由于將大斷面劃分為左、中、右3個(gè)導(dǎo)坑斷面，每個(gè)斷面又分為上、中、下3個(gè)部分開挖，并及時(shí)使拱架落地成環(huán)，使初期支護(hù)完全受力，充分發(fā)揮了初期支護(hù)和巖體的自穩(wěn)能力，使沉降和收斂得到了有效的控制;但是，在開挖仰拱(初期支護(hù)閉合)和拆除側(cè)壁臨時(shí)支撐時(shí)會(huì)造成拱腳位置暫時(shí)松弛，拱部沉降和拱腳部分收斂會(huì)相對(duì)變大，所以在進(jìn)行雙側(cè)壁施工時(shí)，應(yīng)采取以下措施減少變形。

1)優(yōu)化洞內(nèi)施工組織，減少工序銜接時(shí)間，及時(shí)閉合成環(huán)，使初期支護(hù)形成整體。

2)保證噴射混凝土密實(shí)，使鋼拱架直接參與受力，以減少巖體變形。

3)根據(jù)觀察資料和地質(zhì)情況合理確定初期支護(hù)拆除方案，開挖過程中控制好仰拱與掌子面間的距離。

4.3.2 單側(cè)壁施工變形控制

單側(cè)壁施工可以有效地控制拱部沉降，但在中、下部拱架落地時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的沉降和收斂，較雙側(cè)壁來說不利于收斂控制，存在拆除臨時(shí)支撐時(shí)拱部沉降發(fā)生變化，在施工過程中可以采取以下措施進(jìn)行控制。

1)開挖過程中嚴(yán)格控制仰拱和掌子面、臨時(shí)支撐之間的距離，盡早完成仰拱施工，從而有效控制收斂變形。

2)導(dǎo)坑開挖過程中應(yīng)及時(shí)將永久支撐落地，控制每次開挖落地距離，保證左右側(cè)落地位置不在同一里程，使永久支撐盡早參與整體受力，緩解臨時(shí)支撐壓力，有效控制沉降。

3)重視鎖腳錨桿施工，保證在永久支撐沒有落地前，鎖腳錨桿可以承受大部分壓力。保證噴射混凝土密實(shí)，使鋼拱架直接參與受力，減少巖體變形。

4)根據(jù)觀察資料和地質(zhì)情況合理確定初期支護(hù)拆除方案。

4.3.3 三臺(tái)階施工變形控制

采用三臺(tái)階開挖隧道會(huì)引起較大的拱頂沉降和水平位移，其中上、中臺(tái)階開挖會(huì)引起較大的拱頂沉降和位移。上弧導(dǎo)坑開挖后，拱頂短時(shí)間內(nèi)會(huì)發(fā)生較大變形，下臺(tái)階、仰拱開挖引起的拱頂沉降和縱向位移較小。為有效地控制沉降和收斂，施工過程中要采取以下控制措施。

1)控制弧形導(dǎo)坑開挖距離和開挖后拱腳位置，保證鎖腳錨桿和擴(kuò)大拱腳施工質(zhì)量，可以有效控制上臺(tái)階開挖后發(fā)生沉降。

2)根據(jù)施工情況及時(shí)完成中、下臺(tái)階支撐落地，并在施工中做到隨挖隨支，避免鋼拱架拱腳懸空。

3)重視超前小導(dǎo)管施工，保證導(dǎo)管長度、外插角、注漿和搭接長度。

4)及時(shí)施工仰拱，合理控制開挖距離。

5 結(jié)論與討論

1)施工方法的選擇應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)文件、施工調(diào)查情況、地質(zhì)、圍巖類別、隧道長度、斷面、襯砌、工期以及施工隊(duì)伍的技術(shù)水平等因素綜合考慮。優(yōu)先選用全斷面或少分部的開挖方法，以減少施工工序，便于機(jī)械化作業(yè)，改善作業(yè)環(huán)境，確保施工安全。

2)對(duì)地質(zhì)變化較大的隧道施工環(huán)境，選擇施工方法時(shí)要考慮地質(zhì)變化的適應(yīng)性，盡量避免變更施工方法，打亂施工工序，從而影響進(jìn)度和安全。優(yōu)先采用成熟的新技術(shù)、新工藝、新設(shè)備、新材料，提高綜合施工水平。

3)黃土具有獨(dú)特的物理、化學(xué)和力學(xué)性質(zhì)，受水浸蝕后結(jié)構(gòu)會(huì)迅速破壞從而引發(fā)濕陷現(xiàn)象，對(duì)隧道的安全穩(wěn)定和正常使用有著巨大的影響。在隧道開挖施工中，必須認(rèn)真分析不同工法、工序間的邏輯影響程度，并在充分考慮圍巖自穩(wěn)性能的基礎(chǔ)上，采取針對(duì)性措施，有效控制圍巖過大變形。

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